技術資料

救急排水機場ポンプ設備の状態監視技術について
小林勇一

平地一典

田所登や触診はできない。またポンプを引き上げた状態での１．はじめに空回転もできないため、ポンプの稼働状態を確認する
河川管理施設である排水機場や救急排水機場は、内ことは極めて難しい。

水を排水し洪水被害を軽減することを目的に設置された重要な施設であり、非常時には確実に稼働しなければならない。
小規模な排水機場である救急排水機場では、コラム形着脱式縦軸斜流水中モータポンプ（以下、コラム形水中ポンプという）が使用されているが、コラムパイプ内に設置し排水作業を行うことから、現場の運転員や点検従事者がポンプの運転中に目視や触診などにより異常や変調を確認することは極めて困難である。
また、これらの設備は老朽化が進んでおり、限られ

写真－1

救急排水機場外観

写真－2

コラム形水中ポンプ

た予算のなかで設備の信頼性を維持していくためには、状態を的確に把握したうえで、必要な修理や更新を行う必要がある。
そこで、コラム形水中ポンプにおける状態監視技術の提案に向けた基礎検討として、回転機械の状態監視に適用されている各種計測、診断技術について調査し、コラム形水中ポンプへの適用性について評価した。
２．コラム形水中ポンプの概要
写真－1に救急排水機場の外観、写真－2にコラム形水中ポンプを示す。
救急排水機場は、地域ごとの内水の状況に応じた機動的かつ効率的な排水作業を行うことを目的に、救急内水対策事業で設置された排水量10m3/s 以下の小規模排水機場である1）2）。
救急排水機場のポンプユニットは、常設されたコラᮏᕝ

ムパイプ、および可搬式のコラム形水中ポンプで構成されており、緊急時のポンプの円滑な運搬、設置のた䝁䝷䝮䝟䜲䝥1）

め、「救急排水ポンプ設備技術指針 」により仕様・規格が標準化されている。
図－1にコラム形水中ポンプの設置概略図を示す。
コラム形水中ポンプはクレーン等によりコラムパイプ上部からパイプ内に挿入し設置する。
稼働中は常にコラムパイプ内にあり、ポンプの目視
寒地土木研究所月報№765

2017年２月

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図－1

コラム形水中ポンプ設置概略図41

の容易さとした。

３．状態監視技術の調査と適用性の検討

評価の結果、電流情報診断が最も適用性が高い技術
コラム形水中ポンプへの適用性を検討するため、水となった。

中ポンプや電動モーターなど回転機械の状態監視に適電流情報診断は、三相誘導電動機に発生する逆起電用されている各種計測、診断技術について、ISO の「機力を計測し解析することで、機械の異常を検出する技

械の状態監視と診断」関連規格やポンプメーカーから術である。コラム形水中ポンプの電動機形式は水中乾の聞き取りなどをもとに、調査を実施した。

式かご形三相誘導電動機であるため、電流情報診断の表－1に、調査した技術について、コラム形水中ポンプへの適用性評価を示す。

適用が可能である。
写真－3に電流情報診断の電流計測用クランプを、図

評価項目は、「計測の容易さ」と「計測結果の有効性」－2に診断画面を示す。
計測方法は、機側電流盤からコラム形水中ポンプにの2項目とし、評価はそれぞれ3段階とした。
「計測の容易さ」は、計測機器の設置や潤滑油の採つながる三相電源の配線にクランプを取り付けるのみ取などの容易さとし、「計測結果の有効性」は、計測であり、非常に容易である。

値の信頼性および故障の有無の判断、故障要因の推察

また、水流等の外的要素が計測機器に影響を与えることも無いため、コラム形水中ポンプの状態監視に適した技術といえる。

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計測、診断技術の適用性評価䚸デ᩿ᢏ⾡ィ 䛾ᐜ᫆䛥ィ ⤖ᯝ⥲ྜホ౯䛾᭷ຠᛶኚ఩ィ㽢䠉㽢ຍ㏿ᗘィ䕧䕿䕧䝣䜵䝻䜾䝷䝣䜱䞊ἲ䕧䕿䕧㻿㻻㻭㻼ἲ䕧䕿䕧₶⁥Ἔศᯒ䕿䕧䕧㻭㻱ィഃ䕧䕧䕧ᗘἲ䕧

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写真－3䛭䛾௚

電流計測用クランプ

図－242

診断画面

寒地土木研究所月報№765

2017年２月

で磁界と同じ方向に回転する。この回転磁界と回転子

４．電流情報診断の基本原理の周波数の差を、すべり周波数という。
電流情報診断は、誘導電動機電流兆候解析（Motor

ここで例として、電源周波数50Hz、極数6、実回転

Current Signature Analysis：以下、MCSA という）数980rpm のポンプについて、すべり周波数を求める。
回転磁界の周波数回転数（以下、同期回転数という）に基づいている。
MCSA は、固定子と回転子間のエアギャップの変は、以下の式で求められる。

化や回転子バーの抵抗値変化、回転の変動、トルクの変動などが空間磁束線に影響を与え、逆起電力を通して固定子に流れる電流に反映しているという理論に基づいている3）。
図－3に三相誘導電動機の模式図を、図－4にフレミングの法則を示す。
三相誘導電動機の回転機構は、固定子と回転子から以上より、すべり周波数を求めると、なる。固定子に電流を流すと、磁界が発生するとともに、交流電源の位相変化に合わせて磁界が回転するように変化する。この回転磁界により、回転子は磁界から見て相対的に反対方向へ移動したことになり、フレミングの右手の法則により、回転子バーに電流が誘起される。
磁界の中にある回転子バーに電流が流れると、フレミングの左手の法則により電磁力が生じるため、となる。
このすべり周波数から、回転子バーの損傷を解析することができる。

その電磁力により回転子は回転する。
回転子は、磁界に対し相対的に移動することにより電流が発生し回転するため、磁界よりやや遅い周波数

図－5に周波数解析の例を示す。
回転子から見ると、相対的に磁界は0.33Hz で回転していることになり、磁極が回転子バーを通過する際に、フレミングの右手の法則により、今度は固定子側に電流が誘起される。
仮に、回転子バーの1本が損傷などした場合、そのᅇ㌿Ꮚ㍈

回転子バーには電流が誘起されにくくなり、結果として固定子への電流誘起に影響を及ぼすことになる。その周波数は、回転子が磁極を通過する周波数となり、

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図－3となる。
この場合の電流波形を周波数解析すると、電源周波

三相誘導電動機（かご形）模式図数の両端±1.98Hz に側帯波が現れる。
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寒地土木研究所月報

№765

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フレミングの法則
2017年２月 㻡㻜㻴㼦

図－5

周波数解析例43

以上は回転子バーの損傷解析の例であるが、逆起電今後は、実際に救急排水機場でコラム形水中ポンプ力を解析することで、モーター本体の回転子軸の偏芯の電流情報診断を実施し、解析結果と損傷状態を比較やアンバランス、軸受の損傷などのほか、ポンプ側のすることで、その適用範囲、診断精度などの検証を行

カップリング心ずれや軸接触、軸曲がりなどが検出でう。

きる可能性がある。
参考文献５．まとめ
1） 河川ポンプ施設技術協会：救急排水ポンプ設備技
コラム形水中ポンプにおける状態監視技術の提案に向けた基礎検討として、回転機械の状態監視に適用されている各種計測、診断技術について調査し、コラム形水中ポンプへの適用性について評価した。
評価の結果、電流情報診断の適用性が高いことがわ

術指針・解説、pp.7-8、1994.
2） 河川ポンプ施設技術協会：ポンプ施設の建設と管理、p.81、2012.
3） 豊田利夫：電機設備診断の進め方、日本プラントメンテナンス協会、pp.132-136、1993.

かった。

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小林 勇一
KOBAYASHI Yuichi

平地 一典
HIRACHI Kazunori

田所 登
TADOKORO Noboru

寒地土木研究所
技術開発調整監付寒地機械技術チーム
研究員

寒地土木研究所
技術開発調整監付寒地機械技術チーム
研究員

寒地土木研究所
技術開発調整監付寒地機械技術チーム
主任研究員

寒地土木研究所月報№765

2017年２月